CN115206277A - 飞行器上的设备风扇噪声的主动噪声消除 - Google Patents

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Abstract

用于飞行器上的强制空气式加热或冷却***的改进的主动噪声消除***采用管道，该管道具有耦合到风扇单元的近端，以在管道的远端的方向上夹带气流。参考传感器定位在管道的近端内。提供了一种用于以实质上不阻碍气流的方式将音频控制信号注入气流中的部件。误差传感器定位在管道的远端，误差传感器在该远端响应于由气流携带的声音，包括音频控制信号。耦合到参考传感器和误差传感器的电子电路提供噪声减低控制信号以激励控制换能器，从而通过相消干涉实质降低风扇单元的至少一个噪声谐波。

Description

飞行器上的设备风扇噪声的主动噪声消除
技术领域
本公开总体上涉及计算机和航空电子设备的强制空气式(forced air)加热或冷却***中的噪声减低。更具体地，本公开涉及部署在飞行器上的受限空间中的设备加热或冷却风扇中的主动噪声减低。
背景技术
本节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。
现代飞行器填充有生成热量的航空电子***、飞行控制计算机和其他计算机设备。这些电子***需要冷却以防止精密组件发生故障或永久性损坏。作为一般经验法则，为避免对基于微处理器的***中的组件造成永久性损坏，取决于所使用的组件的类型，最好避免温度持续超过+60至+80摄氏度。工业级组件具有-40C至+85C的工作范围；而商业级组件具有有限得多的工作范围，通常为0C至+70C。组件的结温是决定元件是否将永久损坏或将发生性能劣化的关键因素。因此，通过强制空气式热传递进行温度控制是飞行器设计的一个非常重要的方面。
排热是一种艺术形式(artform)，并且飞行器***存在于与办公楼完全不同的环境中。例如，三万英尺处的外部环境空气温度标称为-44.5摄氏度。在夏季期间，停在沙漠停机坪上的飞行器内的空气温度可能会超过+70摄氏度。尽管存在这些极端温度，但是在乘客舱中，当有人在场时，环境温度被保持在接近+20摄氏度。在设计满足电子组件温度稳定性和乘员舒适度这两种需求的热传递***时，飞行器热工程师需要考虑这些极端温差。更复杂的是，飞行器上几乎没有可用空间来容纳大型排热风扇、大型管道***和大型热交换器。由于空间和重量宝贵，飞行器上的排热***需要是小型的，因此通常需要高得多的气流速率来实现充分的冷却。
通常，航空电子***和飞行器计算机设备被容纳在位于飞行器内部区域内的机架或机柜中，通常在飞行驾驶台附近。需要为航空电子***和其他计算机设备保持适当工作温度的冷却风扇需要移动大量空气(例如，190-286cfm)，因此采用以非常高的速度(例如，5,000至20,000rpm)运行的强大风扇。这些风扇可能会产生乘员无法忍受的非常高分贝的噪声水平。由于空间限制，在某些应用中不能使用如***的常规处理方法。
发明内容
所公开的***使用主动噪声消除来极大地减弱飞行器内的设备风扇噪声，而不会占用传统消音器所需要的额外空间。所公开的***被设计为自适应地去除通常由与转子的叶片被动频率相关的谐波支配的风扇噪声。主动噪声消除算法通过来自参考传感器(诸如参考麦克风、振动传感器、加速度计)的测量来获得参考信号，或者获得从冷却风扇的输入信号中导出的参考信号。该***包括控制换能器，诸如扬声器或压电换能器，其生成被设计为消除风扇噪声的信号。在这种消除之后的任何残余噪声都由位于控制换能器下游的误差传感器(诸如麦克风或压电换能器)测量。误差传感器将该误差信号信息提供给主动噪声消除算法。
主动噪声消除算法优选地实现基于滤波最小均方(FxLMS)算法的自适应滤波器。该算法基于参考信号和误差信号生成提供给控制换能器的控制信号。
主动噪声消除***的控制换能器定位在引导管道中以避免影响来自风扇的冷却流。在替代实施例中，控制换能器机械地耦合到分流器(diverter)表面，将分流器表面转换为辐射源，以将风扇噪声消除振动注入气流中。两个实施例因此实现主动噪声消除，而不会明显地干扰或增加风扇***或其相关联的空气处理管道***的尺寸。
在一个方面，本公开提出了一种用于强制空气式飞行器设备加热或冷却***的主动噪声消除***中的改进，该强制空气式飞行器设备加热或冷却***的类型是具有至少一个电机驱动的风扇单元，该风扇单元产生气流以增加或去除热量。该改进采用管道，该管道在其近端耦合到风扇单元，以在管道的远端的方向上夹带(entrain)气流。管道在远端具有嘴部。参考传感器定位在管道的近端内，并且误差传感器定位在管道的远端内。
在管道内轴向延伸的气流分流器被定位成引导气流远离管道的中心，并产生在管道的远端中靠近分流器的降低速率气流分离的遮蔽区域。气流分流器可以是风扇单元的组成部分。定位在遮蔽区域中的控制换能器在被激励时可操作以将声学音频波引入管道中。误差传感器响应于由气流携带的声音和由控制换能器引入的声学音频波。电子电路耦合到参考传感器和误差传感器，并且提供噪声减低控制信号以激励控制换能器，从而通过相消干涉实质降低风扇单元的至少一个噪声谐波。
在另一方面，该改进采用管道，该管道具有耦合到风扇单元的近端，以在管道的远端的方向上夹带气流。管道在远端具有嘴部。参考传感器定位在管道的近端内，并且误差传感器定位在管道的远端内。
控制换能器被定位并在被激励时可操作以将机械振动传递到风扇单元，从而将音频控制信号引入气流中。误差传感器响应于由气流携带的声音，包括音频控制信号。
电子电路耦合到参考传感器和误差传感器，并且提供噪声减低控制信号以激励控制换能器，从而通过相消干涉实质降低风扇单元的至少一个噪声谐波。
在另一方面，本公开提出了一种用于飞行器上的强制空气式冷却***的主动噪声消除***中的改进，该飞行器上的强制空气式冷却***的类型是具有至少一个电机驱动的风扇单元，该风扇单元产生气流以去除热量。该改进采用管道，该管道具有耦合到风扇单元的近端，以在管道的远端的方向上夹带气流。管道在远端具有嘴部。参考传感器定位在管道的近端内，并且误差传感器定位在管道的远端。
提供了一种用于以实质上不阻碍气流的方式将音频控制信号注入气流中的部件。
误差传感器定位在管道的远端，误差传感器在该远端响应于由气流携带的声音，包括音频控制信号。
耦合到参考传感器和误差传感器的电子电路提供控制信号以激励控制换能器。控制信号包括用于控制换能器的至少一个噪声减低频率。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明所选实施例的目的，而不是所有可能的实现方式。附图的特定选择不旨在限制本公开的范围。
图1是机载设备冷却风扇的透视图，示出了用于安装主动噪声消除换能器以支持主动噪声消除的一种配置；
图2是沿图1中的线2-2截取的剖视图，示出了强制空气式冷却***的风扇叶片；
图3是沿图1中的线3-3截取的剖视图，示出了由强制空气式冷却***产生的气流路径和主动噪声消除换能器的定位；
图4是沿图3中的线4-4截取的剖视图，示出了气动换能器安装支柱的横截面；
图5是自适应噪声消除电子***的示意性框图；
图6是替代实施例的透视图，采用集成到分流器表面中的振动换能器。
具体实施方式
所公开的主动噪声消除***采用控制换能器来注入声能(振荡或振动)，该声能(振荡或振动)与空气传播的风扇噪声谐波在声学上相消干涉，从而显著降低由(多个)冷却风扇产生的声音。这里描述控制变换器的三个实施例。在第一实施例中，扬声器换能器定位在风扇的下游，处于它不会在风扇的主气流中的位置。在第二实施例中，振动换能器机械地耦合到风扇单元或分流器表面，振动换能器在那里将振动赋予风扇主体，该振动在声学上干涉风扇噪声谐波。第一实施例在图1和图3中示出；第二实施例在图6中示出。第三实施例包括第一和第二实施例的组合，提供了两种不同的机制，用于注入音频控制信号以减少由(多个)冷却风扇产生的声音。
在示例性飞行器部署中，一对电子设备机架(在飞机每侧一个机架)直接位于飞行员和副飞行员的后面。每个机架由以非常高的流速运行(190cfm，8,800rpm，低速；286cfm，12,500rpm，高速)的冷却风扇冷却。这些风扇产生非常响亮的声压级，从而产生由排气气流携带的令人反感的响亮噪声。这种噪声具有大约1600Hz的基本音频，具有可能比附近频率的宽带内容响亮10dB至15dB的谐波。这些谐波特别令人反感，因为它们位于人类听觉响度谱的最敏感范围中。
第一实施例
参考图1，在10处总体示出了风扇组件。位于风扇组件10顶部的是电缆附件连接器16。可以通过该连接器提供为风扇电机(未示出)和其他控制电路提供操作功率的线缆。风扇组件内部是电机驱动的多叶片风扇18，在图2中示出。
在被激励时，风扇18高速转动，将热空气从设备拉出通过隔板14，并在风扇组件的开口端20将其排出(图1)。排气气流由气流分流器22朝向开口端20的外周向外引导。排气气流的路径在图3中的A处示出。
在该实施例中，控制换能器组件30同心地附接在风扇组件的开口端20上，如图1和图3中所示。控制换能器组件容纳控制换能器32，控制换能器32可以使用锥形扬声器或压电换能器来实现。如图所示，控制换能器定位在控制换能器组件30内部，使得它直接位于气流分流器22的端盖24的前面。在该位置，控制换能器32被遮蔽，实质上在气流路径之外。优选地，控制换能器通过多个空气动力学辐条34固定到控制换能器组件壳体的侧壁。在横截面中，这些辐条具有如图4中所示的空气动力学形状，以最小化对离开控制换能器组件的嘴部36的气流的干扰。作为使用辐条的替代方案，也可以将控制换能器直接安装在风扇的中间。
控制换能器32定位在其实质上免受直接排气气流影响的中心，控制换能器32被提供有放大的声学控制信号，该信号被特殊制定以通过相消干涉抵消或实质降低风扇叶片的声音。
在第一实施例的上述结构配置中，控制换能器32在气流分流器后面的遮蔽区域中的定位起到一种用于以实质上不阻碍气流的方式将音频控制信号注入气流中的部件的作用。
现在将结合图5描述用于产生放大的声学控制信号的电子电路。在图5中，电机50和风扇叶片18已被图解表示。诸如麦克风、振动传感器、转速计或加速度计的参考传感器52提供参考信号，该参考信号给出风扇噪声的频率内容的测量。在这方面，通常风扇旋转频率的谐波是造成大多数令人反感的风扇噪声的原因。作为替代方案，参考信号也可以从驱动冷却风扇的输入信号中导出，诸如从转速计导出。在该实施例中，驱动风扇的输入信号在数学上与风扇的旋转速度(基频)相关。根据该数学关系可以计算出谐波频率。输入导出的参考信号相对于麦克风换能器的优点在于，这种信号对来自控制换能器32的声反馈不敏感。
在参考信号被采样并使用模数转换器ADC转换为数字信号之前，参考信号由抗混叠滤波器处理以限制频率带宽，以满足感兴趣频带上的奈奎斯特-香农采样定理。因此在图5中，抗混叠滤波器和ADC由过程块54描绘。
数字形式的参考信号被用作自适应算法处理器56的一个输入，自适应算法处理器56还接收从定位在控制换能器组件30的嘴部36中的误差传感器58导出的数字形式的误差信号。来自误差传感器58的误差信号由抗混叠滤波器和ADC过程块60处理，该块60以与上述块54类似的方式起作用。
自适应算法56优选地实现为处理器，该处理器被编程以执行最小均方(LMS)分析或其他合适的算法，该算法计算使期望信号和控制换能器组件的嘴部36处的实际信号之间的差异(误差)最小化的滤波器系数。具体地，LMS算法使用迭代的随机梯度下降法找到误差信号的最小均方。
FxLMS算法
在图5所示的实施例中，实现滤波-x最小均方(FxLMS)算法。FxLMS算法依赖于自适应算法处理器56的两个信号路径输入：来自误差传感器58的第一信号路径和来自参考传感器52的第二信号路径。这两个路径的不同之处在于，误差传感器58和参考传感器52是从气流路径中的不同点采样的。为了补偿这两个路径之间的信号路径时间延迟，使用重构滤波器64，如下面进一步讨论的。
虽然滤波最小均方算法已在图5中示出，但是可以使用替代算法，诸如最小均方算法或递归最小二乘(RLS)算法。其他算法也是可能的。
自适应算法处理器56使用误差信号和参考信号来估计提供给数字滤波器62的滤波器参数。例如，数字滤波器62可以实现为有限脉冲响应(FIR)滤波器，该滤波器具有由所提供的滤波器参数配置的多个抽头，以估计从参考麦克风到误差麦克风的传递函数。通过反转数字滤波器的输出的相位(或数学符号)，生成控制信号(噪声消除信号)。
如上所述，该控制信号由重构滤波器64处理，以去除由于已经使用两个信号路径的事实而导致的伪影。然后，控制信号由示为重构滤波器块64的一部分的关联的数模转换器(DAC)转换为模拟信号。控制信号由自适应算法56制定并提供音频信号，该音频信号实质上消除或减低由风扇18产生的噪声。具体地，制定控制信号以抵消与风扇转子的叶片被动频率相关的音频谐波。该控制信号由放大器66放大，然后提供给控制换能器32，该控制换能器32将控制信号作为音频声学信号注入，以实质上消除或减低由风扇18产生的噪声。
第二实施例
在第二实施例中，如图6中所示，通过机械地耦合到分流器表面24的振动换能器80的操作来消除噪声，将分流器表面转换为辐射源以消除下游噪声。在该第二实施例中，不需要第一实施例的控制换能器组件30，尽管可以可选地包括控制换能器30以允许两种噪声消除机制来实质上减低风扇噪声。
如图5中的虚线信号线所示，通过将放大的控制信号从放大器66提供给振动换能器80，这种电操作的振动换能器80的激活受到图5的电子电路的影响。
第三实施例
在第三实施例中，第一和第二实施例被组合，使得包括控制换能器32的控制换能器组件30以及振动换能器80同时使用。在该实施例中，如果需要，控制换能器32和振动换能器80可以适于处理风扇噪声谱的不同频率分量。
尽管在前述详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，示例性实施例或多个示例性实施例仅是示例，并且不旨在以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现如本文考虑的示例性实施例的便利路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求中阐述的本发明的范围的情况下，可以在示例性实施例中描述的元件的功能和布置中进行各种改变。

Claims (19)

1.一种用于强制空气式飞行器设备加热或冷却***的主动噪声消除***中的改进，所述强制空气式飞行器设备加热或冷却***的类型是具有至少一个电机驱动的风扇单元，所述风扇单元产生气流以增加或去除热量，所述改进包括：
管道，其具有耦合到所述风扇单元的近端，以在所述管道的远端的方向上夹带所述气流，所述管道在所述远端具有嘴部；
参考传感器，其定位在所述管道的近端内；
气流分流器，其在所述管道内轴向延伸，并且定位成引导所述气流远离所述管道的中心并产生在所述管道的远端中靠近所述分流器的降低速率气流分离的遮蔽区域；
控制换能器，其定位在所述遮蔽区域中，并且在被激励时可操作以将声学音频波引入所述管道中；
误差传感器，其定位在所述管道的远端，所述误差传感器在所述远端响应于由所述气流携带的声音和由所述控制换能器引入的所述声学音频波；和
电子电路，其耦合到所述参考传感器和所述误差传感器，并且提供噪声减低控制信号以激励所述控制换能器，从而通过相消干涉实质降低所述风扇单元的至少一个噪声谐波。
2.根据权利要求1所述的改进，其中所述气流分流器形成所述风扇单元的组成部分。
3.根据权利要求1所述的改进，其中所述电子电路包括处理器，所述处理器被编程以实现从由以下各项组成的组中选择的自适应算法：最小均方、滤波最小均方和递归最小二乘。
4.根据权利要求1所述的改进，其中所述参考传感器和误差传感器均从由以下各项组成的组中选择：麦克风、振动传感器、转速计和加速度计。
5.根据权利要求1所述的改进，其中所述参考传感器耦合到所述风扇单元的驱动电路并且被配置为从所述驱动电路导出参考信号。
6.根据权利要求1所述的改进，其中所述控制换能器从由以下各项组成的组中选择：扬声器和压电振动换能器。
7.根据权利要求1所述的改进，其中所述控制换能器由至少一个空气动力学辐条保持在所述遮蔽区域中。
8.一种用于飞行器上的强制空气式加热或冷却***的主动噪声消除***中的改进，所述飞行器上的强制空气式加热或冷却***的类型是具有至少一个电机驱动的风扇单元，所述风扇单元产生气流以增加或去除热量，所述改进包括：
管道，其具有耦合到所述风扇单元的近端，以在所述管道的远端的方向上夹带所述气流，所述管道在所述远端具有嘴部；
参考传感器，其定位在所述管道的近端内；
控制换能器，其被定位并在被激励时可操作以将机械振动传递到所述风扇单元，从而将音频控制信号引入所述气流中；
误差传感器，其定位在所述管道的远端，所述误差传感器在所述远端响应于由所述气流携带的声音，包括所述音频控制信号；
电子电路，其耦合到所述参考传感器和所述误差传感器，并且提供噪声减低控制信号以激励所述控制换能器，从而通过相消干涉实质降低所述风扇单元的至少一个噪声谐波。
9.根据权利要求8所述的改进，其中所述电子电路包括处理器，所述处理器被编程以实现从由以下各项组成的组中选择的自适应算法：最小均方、滤波最小均方和递归最小二乘。
10.根据权利要求8所述的改进，其中所述参考传感器和误差传感器均从由以下各项组成的组中选择：麦克风、振动传感器、转速计和加速度计。
11.根据权利要求8所述的改进，其中所述参考传感器耦合到所述风扇单元的驱动电路并且被配置为从所述驱动电路导出参考信号。
12.根据权利要求8所述的改进，其中所述控制换能器是压电振动换能器。
13.一种用于飞行器上的强制空气式加热或冷却***的主动噪声消除***中的改进，所述飞行器上的强制空气式加热或冷却***的类型是具有至少一个电机驱动的风扇单元，所述风扇单元产生气流以去除热量，所述改进包括：
管道，其具有耦合到所述风扇单元的近端，以在所述管道的远端的方向上夹带所述气流，所述管道在所述远端具有嘴部；
参考传感器，其定位在所述管道的近端内；
用于以实质上不阻碍所述气流的方式将音频控制信号注入所述气流中的部件；
误差传感器，其定位在所述管道的远端，所述误差传感器在所述远端响应于由所述气流携带的声音，包括所述音频控制信号；
电子电路，其耦合到所述参考传感器和所述误差传感器，并且提供噪声减低控制信号以激励控制换能器，从而通过相消干涉实质降低所述风扇单元的至少一个噪声谐波。
14.根据权利要求13所述的改进，其中用于将音频注入所述气流中的所述部件包括：
气流分流器，其在所述管道内轴向延伸，并且定位成引导所述气流远离所述管道的中心并产生在所述管道的远端中靠近所述分流器的降低速率气流分离的遮蔽区域；
所述控制换能器，其定位在所述遮蔽区域中，并且在被激励时可操作以将声学音频波引入所述管道中。
15.根据权利要求13所述的改进，其中用于将音频注入所述气流中的所述部件包括：
所述控制换能器，其被定位并在被激励时可操作以将机械振动传递到所述风扇单元，从而将音频控制信号引入所述气流中。
16.根据权利要求13所述的改进，其中所述参考传感器和误差传感器均从由以下各项组成的组中选择：麦克风、振动传感器、转速计和加速度计。
17.根据权利要求13所述的改进，其中所述参考传感器耦合到所述风扇单元的驱动电路并且被配置为从所述驱动电路导出参考信号。
18.根据权利要求13所述的改进，其中所述电子电路包括处理器，所述处理器被编程以实现从由以下各项组成的组中选择的自适应算法：最小均方、滤波最小均方和递归最小二乘。
19.根据权利要求14所述的改进，其中用于将音频注入所述气流中的所述部件还包括第二控制换能器，所述第二控制换能器被定位并在被激励时可操作以将机械振动传递到所述风扇单元，从而将音频控制信号引入所述气流中。
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